kosmologia wczesnego wszechświata

RECENZJE
ZAGADNIENIA FILOZOFICZNE
W NAUCE
XIII / 1991, s. 100–103∗
Krzysztof MAŚLANKA
KOSMOLOGIA WCZESNEGO WSZECHŚWIATA
• A. D. Dołgow, J. B. Zeldowicz, M. B. Sażim, Kosmołogia ranniej Wsjeliennoj, Wydawnictwo Uniwersytetu Moskiewskiego, Moskwa 1988.
Wzięta po raz pierwszy do ręki, nowa i nieznana jeszcze książka z dziedziny nauk przyrodniczych, kryje w sobie zawsze coś zagadkowego. Czy
poszerzy nasze dotychczasowe horyzonty? Czy, dostarczając wzruszeń i satysfakcji z poznania, otworzy umysł na nowe światy? Czy też jej treść jawić
się będzie jako otoczona nieprzeniknionym murem niezrozumienia, s ona
sama stanie się dla nas jedynie źródłem upokorzenia i zniechęcenia? Zazdrośnie strzegąc swych tajemnic, ukrytych za barierą oszczędnego stylu
i nieprzystępnego języka, z czasem zajmie honorowe miejsce na wysokiej
półce zbierając kurz i oczekując zmiany nastrojów.
Czym zatem jest Kosmologia wczesnego Wszechświata — książka napisana przez A. D. Dołgowa oraz M. B. Sażina na podstawie wykładów
prowadzonych przez J. B. Zeldowicza na wydziale fizycznym Uniwersytetu
Moskiewskiego?
Zapewne łatwiej jest odpowiedzieć na pytanie, czym książka ta z pewnością nie jest. Nie jest to zatem eleganckie dzieło z pretensjami, by stać
się bestsellerem, w rodzaju Pierwszych trzech minut Weinberga czy Krótkiej
historii czasu Hawkinga. Daleko jej do wyrafinowanej precyzji stylu współczesnych monografii, które z czasem stają się standardami i zadowalają wymagających ekspertów szukających usilnie każdej nieprecyzyjnej myśli lub
matematycznej nieścisłości. Zadowalają ekspertów i skutecznie odstraszają
początkujących.
Książka ta nie jest ani elegancka, ani precyzyjna. Ze względu na szybki
rozwój kosmologii fizycznej z pewnością nigdy nie stanie się standardem.
∗ UWAGA: Tekst został zrekonstruowany przy pomocy środków automatycznych; możliwe są więc pewne błędy, których sygnalizacja jest mile widziana ([email protected]). Tekst
elektroniczny posiada odrębną numerację stron.
2
Krzysztof MAŚLANKA
W zamierzeniu autorów przeznaczono ją „dla astronomów” i dlatego z jedenastu rozdziałów dwa najdłuższe dotyczą wprowadzenia w teorię pola oraz
teorię cząstek elementarnych.
Nie jest tajemnicą, że w niepisanej hierarchii nauk przyrodniczych, której wyniosły szczyt okupują fizycy–teoretycy, „astronom” zajmuje niezbyt
wysoką pozycję kogoś na ogół niedouczonego, chyba niżej jeszcze od chemika. Jednak może właśnie dlatego książka Zeldowicza bez kompleksów dochodzi tak głęboko i w sposób przystępny pokazuje tak wiele z problemów
współczesnej kosmologii. Jest fachowym dziełem ludzi kompetentnych i nie
pomija żadnego ważnego zagadnienia. Co więcej, jest to pierwsza monografia tego typu w świecie. Jej lektura pozwoli na wytworzenie rzetelnego
obrazu całej współczesnej kosmologii. Opuszczono w niej jedynie, modne
ostatnio, teorie wielowymiarowych wszechświatów. Trzeba jednak otwarcie
powiedzieć, że, w przeciwieństwie do omówionych w książce zagadnień, modele te zawsze bardziej interesowały fizyków (unifikacja oddziaływań, teoria
cząstek elementarnych, superstruny), niż kosmologów; pomimo wielkich nadziei teoretycznych, nie wniosły one niczego nowego do rozwiązania którejś
z istotnych trudności modelu standardowego.
Pisanie takich książek, książek o współczesnej kosmologii fizycznej, jest
skrajnie ryzykowne i wymaga sporej odwagi. To niewdzięczne zadanie musi
iść w parze z założeniem, że w czasie przeraźliwie długiego cyklu wydawniczego nie stanie się w kosmologii nic takiego, co w chwili pojawienia się
książki w księgarniach wywołałoby ironiczne uśmiechy i zjadliwe recenzje
wspomnianych ekspertów: „ jakie to stare i nieaktualne!”
Czym natomiast jest książka Zeldowicza? Z bardzo wąskiego i technicznego punktu widzenia, odpowiedź na to pytanie jest prosta i zwięzła: książka
ta jest monografią na temat właściwie jednej tylko szczególnej formuły, równania stanu p = −; jest jedną wielką pochwałą roli i znaczenia tej zależności
w kosmologii wczesnego Wszechświata.
Informacja taka nie wydaje się zachęcać do dalszej lektury. Dodajmy
więc, że ta prosta, i równie łatwa do zapamiętania jak sławne E = mc2 ,
relacja1 stanowi lapidarny opis własności najbardziej fundamentalnego,
a jednocześnie skomplikowanego i tajemniczego tworu, jakim jest próżnia
kwantowa. To coś, co — z braku lepszego określenia — stanowi „substan-
1 Pisząc tak, nic chcę bynajmniej sugerować jednakowej wagi obu wymienionych formuł
(jeśli w takiej dziedzinie jak fizyka dopuszczalne jest w ogóle jakieś wartościowanie).
KOSMOLOGIA WCZESNEGO WSZECHŚWIATA
3
cję” Wszechświata. Próżnia kwantowa2 : z niej to wyłonił się kiedyś młody
Wszechświat; w niej mają swe źródło konkretne, mierzone przez nas obecnie wartości stałych sprzężenia dla rządzących Wszechświatem sił; w niej
wreszcie należy doszukiwać się pochodzenia mas wszelkich zaludniających
Wszechświat cząstek elementarnych. Twór z egzotycznym równaniem stanu
o ujemnym ciśnieniu, realizujący marzenia autorów science fiction o antygrawitacji. Przyczyna inflacji, która rozwiązuje zagadki klasycznej kosmologii.
Siła napędowa początkowej eksplozji naszej części kosmosu, tego wybuchu
tradycyjnie zwanego Wielkim. Czy to nie dosyć?
Być może (czy też raczej: z pewnością?) kiedyś będzie inaczej; tak się
jednak skrada, że obecnie nasze najgłębsze rozumienie mechanizmów rządzących Wszechświatem mówi, iż kierują nim równania Einsteina. Kierują
zaś nim w sposób, jaki nakazuje ich „prawa strona”, źródła pola, czyli po
prostu szeroko rozumiana „materia”. Tę ostatnią zaś w sposób lapidarny
charakteryzuje jej „równanie stanu” — związek (na przykład) pomiędzy
ciśnieniem a gęstością energii. Oto dlaczego równanie stanu pustej przestrzeni, egzotyczna relacja p = −, zajmuje tak ważne miejsce w monografii
Zeldowicza.
Omówiono w niej zagadnienia nie podlegające już dyskusji, „standardowe”: ekspansja Wszechświata, promieniowanie reliktowe i gorący model,
nukleosynteza pierwotna. Przedyskutowano teorie w zasadzie uznane za poprawne, mimo, że nie wolne jeszcze od kontrowersji (bariogeneza, inflacja
kosmiczna). Nie pominięto także pewnych hipotez jawnie spekulatywnych
i bardzo jeszcze prowizorycznych, jak np. teoria inflacji chaotycznej Lindego
czy kwantowa kreacja Wszechświata z niczego. W szczególności ta ostatnia
budzi wiele wątpliwości i niedosytu.
Czy naiwne przenoszenie (skądinąd i tak niejasnych) praw zwykłej mechaniki kwantowej na Wszechświat jako całość, czyli traktowanie go jak
cząstki a w zjawisku tunelowym, nie jest zbyt rażącym i jawnym przeekstrapolowaniem? Czy rachunki takie mamy prawo nazwać „stwarzaniem
z niczego”, chociaż ową rzekomą „nicością” jest obiekt tak bardzo skomplikowany, jak próżnia kwantowa? Ostatecznie za zwykłą mechaniką kwantową stoi nie intuicja czy satysfakcjonująca „filozofia”, lecz (powtarzalne)
doświadczenie. W przypadku Wszechświata możliwości takiej nie ma.
Mam wrażenie, że przytoczone w rozdziale dziewiątym „Kwantowe narodziny Wszechświata”, rachunki dowodzą, z jednej strony, odwagi współcze2 „Definicja” próżni kwantowej wg amerykańskiego fizyka A. Zee: „[...] mętne morze
kwantowych fluktuacji, topologicznych wzbudzeń i kto wie czego tam jeszcze”.
4
Krzysztof MAŚLANKA
snych kosmologów i pełnego determinacji zaufania do sprawdzonego gdzie
indziej formalizmu; z drugiej jednak strony, wzbudzają szczere współczucie
ze względu na nieadekwatność prymitywnych narzędzi, które — z braku
głębszego zrozumienia — muszą oni stosować.
Przyjrzyjmy się bliżej stosowanej metodzie. Oto, wyposażony w aparat „ziemskiej” mechaniki kwantowej kosmolog, bez kompleksów wkracza
w skrajnie egzotyczny krajobraz wczesnego Wszechświata i cały ten Wszechświat degraduje do roli cząstki α, której preenikanie preez barierę potencjału
można opisać stosownym równaniem Schrödingera. Równanie to oczywiście
„wynika” z równań Friedmana po odpowiednich manipulacjach. Otrzymanie pędu uogólnionego jest już zadaniem dla studentów fizyki. Z kolei trzeba
napisać reguły komutacji dla tego pędu i czynnika skali R jako współrzędnej
uogólnionej (bo cóż innego mogłoby nią być w tak prostym, jednoparametrowym modelu?). Całość wieńczy pełen erudycji komentarz i radosne stwierdzenie: przecież te zabiegi prowadzą w prosty sposób do inflacji, wszystko
zatem jest w porządku!
Co więcej, wszystko to można by zrobić ambitniej: na modłę teorii funkcji
falowej Hawkinga–Hartlego, czyli przy użyciu całek po trajektoriach Feynmana i intensywnie reklamowanej filozofii dobudowanej do matematycznego
algorytmu. Ale czy świadomość używania bardziej wyrafinowanego formalizmu3 może dać, choćby namiastkę, zrozumienia? Czy zastąpi proste i głębokie idee wiodące, które w fizyce zawsze były źródłem prawdziwego postępu,
i których najwyraźniej brak w tym przypadku?
Podkreślmy też z naciskiem jeden aspekt problemu. Kosmolog „stwarzający Wszechświat ex rahilo” korzysta przy tym z praw fizyki i jest zadowolony, że udaje mu się wykreować całą materię Wszechświata z niczego
— bez pogwałcenia zasady zachowania energii, której słuszność — z wyraźną satysfakcją — cały czas uznaje. Niemniej, pełna i dosłowna „nicość”,
to nie tylko brak wyjściowego „półproduktu” w postaci próżni kwantowej,
to także brak wszelkich praw fizyki. Czy kiedykolwiek ktoś odważy się na
„stworzenie” praw fizyki, tym razem już z absolumej nicości?
Słusznie zauważa Zeldowicz, że dotychczas wszelkie nierozwiązane problemy kosmologii pakowano z konieczności w „pewne szczególne warunki
początkowe” oraz w dość nieokreśloną „osobliwość” (tzn. określoną tylko
3 Przytoczmy tu stanowcze stwierdzenie Hawkinga (1988): „[...] wszyscy już teraz
wiemy, że kwantowa grawitacja musi być budowana w formalizmie Euklidesowym. Tam
zaś nie ma problemu [...]”. Budzący wręcz zazdrość brak wątpliwości, graniczy niemal
z demagogią.
KOSMOLOGIA WCZESNEGO WSZECHŚWIATA
5
matematycznie). Trzeba jednak otwarcie dodać, że o ile wiele ze szczególnych warunków początkowych udało się wyjaśnić w ramach rzetelnej fizyki
(bariogeneza i inflacja), to „osobliwość” zastąpił chyba nawet bardziej tajemniczy, a tak często spotykany, zwrot: „stan, gdzie klasyczne pojęcia czasu
i przestrzeni, takie, jakie znamy z doświadczenia, tracą sens”.
Nie przywiązujmy większej wagi do tych narzekań. Mimo wszystko łatwiej jest krytykować, niż podać rozwiązanie. Można jednak wskazać na
jedno usprawiedliwienie dla wszelkich poczynań w rodzaju dość topornego
stosowania mechaniki kwantowej do kreacji świata. Jest nim prosta analiza
wymiarowa. Dzięki niej np. już Laplace uzyskał poprawną formułę na grawitacyjny promień ciała (zwany później promieniem Schwarzchilda), które,
ze względu na swą masywność, nie wypuszcza żadnego promieniowania.
A przecież Laplace stosował, nieadekwatną z natury, teorię Newtona; nie
znał metryki czarnej dziury i ogólnej teorii względności. Ilość możliwości
naiwnego założenia, z kilku fizycznych wielkości, poprawnej formuły nie
jest duża, ze względu na konieczność dopasowania odpowiednich jednostek.
Niewykluczone zatem, że historia powtórzy się i któryś ze wzorów przytaczanych przez Zeldowicza w modelu kreacji świata jako efektu tunelowego
znajdzie swój odpowiednik w przyszłej, pełnej teorii, w której też zyska
lepsze zrozumienie.
Dokładnie w takim samym sensie zasługuje wciąż na pełną pobłażliwość
pokraczny mieszaniec znany pod nazwą „kwantowej teorii pola w czasoprzestrzeniach zakrzywionych”. Jest bowiem niewykluczone, że pewne formuły
przyszłej, eleganckiej i „rasowej”, tak upragnionej kwantowej teorii grawitacji (np. promieniowanie czarnej dziury Hawkinga) okażą się po prostu
tożsame z dotychczas stosowanymi wzorami.
Niewątpliwy niedosyt wywołuje w książce brak komentarzy. W naturze
autorów leży, by prosto i dość beznamiętnie mówić o sprawach głębokich
i nie dodać nawet jednego zdania podsumowania na zakończenie.
I jeszcze jeden mały drobiazg, wspólny właściwie dla wielu prac radzieckich autorów i tak powszechny, że prawie przysłowiowy lub niezauważalny.
Czytając Kosmologię wczesnego Wszechświata, można mieć wrażenie, że nauka ta jest dziełem głównie Friedmana, Gamowa, Zeldowicza, Nowikowa, Lifszyca, Sokołowa, Sacharowa, Markowa, Szwarcmana, Lindego. Może ewentualnie jeszcze Gutha i Peeblesa. Warto np. wspomnieć, iż wspaniały rozkwit
kosmologii, poprzez jej ścisłe sprzężenie z fizyką wysokich energii, zaczął się
właściwie od pracy S. Weinberga oraz B. W. Lee z roku 1973, nawet jeśli
pomysł, by wykorzystać kosmologię jako praktyczne źródło ograniczeń dla
6
Krzysztof MAŚLANKA
wielkości mikroświata oraz, ogólnie, że warto uprawiać te dwie, tak zdawałoby się różne, dziedziny jednocześnie — wyraził jeszcze w roku 1968
B. F. Szwarcman.
*
Jakow Borysowicz Zeldowicz zmarł nagle na atak serca w dniu 2 grudnia 1987 r. Był postacią o rzadko spotykanej wszechstronności. W latach
trzydziestych pracował intensywnie nad teorią wybuchu. Nie był to jeszcze
„Wielki Wybuch”, lecz dużo mniejsze i daleko mniej konstruktywne wybuchy. I chociaż własności krystalizacji nitrogliceryny nie przypominają własności próżni kwantowej, to zapewne liczne intuicje wyniesione z tej pracy,
przeszczepione na grunt astrofizyki, stały się pomocne w późniejszych zainteresowaniach Zeldowicza. Wcześniej jednak pracował w samym centrum
radzieckich projektów badawczych nad syntezą termojądrową i bombą wodorową.
Krzysztof Maślanka